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Ferrari SF1000 bajo la lluvia
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La ciencia detrás de los suelos de un Fórmula 1

¿Cómo funcionan los suelos y qué papel juegan en el rendimiento de un monoplaza?

jueves 20 de abril de 2023, 16:47h

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En la industria del automovilismo, el desarrollo de un buen suelo es importante para reducir el drag y el consumo en los coches. En competición, este desarrollo se lleva al extremo buscando generar la mayor carga aerodinámica con el menor drag posible.

Introducción de los suelos a la Fórmula 1

En el comienzo de la competición de Fórmula 1, los monoplazas tomaban formas similares a los coches de calle de la época adaptados a las carreras. Según los ingenieros, estudiaban cómo aprovechar la aerodinámica para mejorar los coches, se iban desarrollando nuevos mecanismos y nuevos diseños de los coches con el fin de ser cada vez más rápidos.

En los años 70 surgieron los primeros suelos con forma de ala invertida, una gran revolución en aquel momento

Así pues, a finales de los años 70 surgieron los primeros suelos con forma de ala invertida con los que se generaban una gran cantidad de carga aerodinámica aprovechándose del efecto suelo, lo que supuso una gran revolución en aquel momento. Esta tecnología fue evolucionando hasta su prohibición por la FIA en el año 1983 debido a las distintas situaciones de peligro vistas en pista asociadas a estos diseños.

Es a partir de 1983 cuando los fondos planos se introdujeron en la categoría reina del automovilismo. Para seguir generando una carga aerodinámica alta que permitiera a los monoplazas seguir siendo rápidos, los ingenieros no solo implementaron alerones en los coches sino que también se centraron en el desarrollo de difusores que ayudaran a dicho fin.

Los fondo planos con difusor se han ido estudiando y evolucionando durante todos estos años llegando a ver diseños como el difusor doble visto por primera vez en el Brawn GP del año 2009. En el año 2022 se volvieron a introducir los fondos con forma de ala invertida.

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Tipos de suelo y su funcionamiento

Tal y como se ha mencionado, los principales tipos de suelo son los fondo plano con un difusor al final y los suelos con forma de ala invertida.

  • Suelo con forma de ala invertida

Este tipo de suelos fue introducido por Colin Chapman. Viendo como las alas de los alerones (delantero y trasero) ayudaban a generar carga aerodinámica, Colin introdujo un diseño similar en los laterales del suelo del Lotus 78. En este primer intento, aun con múltiples fallas mecánicas, se pudo observar los beneficios de este diseño.

Lotus 78 rodando en las calles de Mónaco

Para hacer funcionar esta idea, Colin se fijó en que bajando la altura de los coches, al implementar este diseño de ala invertida en los laterales se podía lograr un gran efecto de succión. La ciencia detrás del funcionamiento de estos nuevos laterales es muy similar a la implicada en el funcionamiento de las alas o alerones, donde el flujo de la superficie inferior se acelera llegando a generar una zona de baja presión y por ende un efecto de succión. Este efecto de succión es el responsable de que el coche pueda ir pegado al asfalto y, por tanto, trazar las curvas a una mayor velocidad.

Su gran inconveniente es su gran sensibilidad a los cambios en el flujo

El gran inconveniente de este diseño es su gran sensibilidad a los cambios en el flujo. Dicho de otro modo, si el suelo del monoplaza no queda bien sellado y parte del flujo externo se adentra en el interior del suelo, éste pierde parte de su rendimiento. Este efecto, como cabe esperar, es negativo y para nada deseado por los ingenieros y pilotos, debido a que en el caso de que esto sucediera, el coche perdería de forma abrupta gran parte de su rendimiento. Es por ello que, en los años 80, se implementaron faldillas en los laterales de los coches con el fin de sellar adecuadamente esta parte y que el suelo generara la máxima carga posible.

Si bien los monoplazas que montaban este tipo de suelos eran muy veloces, en caso de toques donde las faldillas se veían dañadas, éstos perdían gran parte de su rendimiento de forma abrupta. Las situaciones dadas en estos casos llegaban a ser peligrosas para los propios pilotos, cosa que se vió durante ésta época con múltiples accidentes mortales. Por ello, este tipo de suelos se vetó en el año 1983.

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Otro problema a afrontar con este tipo de suelos es el cambio de alturas. Para un correcto funcionamiento del mismo, es preciso que el coche se mantenga plano y no varíe su altura. Para ello, los monoplazas con este tipo de suelos requieren de suspensiones más duras (que absorben en menor nivel los impactos en el coche al tomar un bache o al pasar por los pianos del circuito) y que, por lo general, genera incomodidad al piloto.

En los diseños introducidos en el 2022, todo esto se tuvo en cuenta a la hora de diseñar el reglamento por parte de la FIA. Se fijaron unas alturas mínimas y se mantuvieron prohibidas las faldillas. Para suplirlas, los equipos han invertido una gran cantidad de tiempo en diseñar unos bordes del suelo que generen unos vórtices con los que sellar el fondo de manera similar a las faldillas. Además de estos bordes, la parte delantera de los suelos muestran distintos canales con los que, por un lado se extrae parte del flujo hacia afuera (ayudando a sellar el borde del suelo) y, por otro, se genera un vórtice en la parte central que recorre la parte inferior con el que mantener un flujo limpio que genere el máximo downforce posible.

Canales del suelo del MCL60

  • Fondo Plano y el difusor

El diseño de fondo plano se introdujo en la Fórmula 1 como sustituto de los suelos con forma de ala invertida. Este diseño es, en términos simples, una plancha de fibra de carbono en cuyo final (a la altura de las ruedas traseras) se sitúa el difusor. Ésta última parte es la más importante de este diseño, puesto que es la encargada de generar la mayoría de la carga aerodinámica en estos diseños.

El difusor se puede definir como una "rampa" inclinada hacia arriba en la cual el flujo que transcurre por la parte inferior del monoplaza recupera la presión, reduciendo así la diferencia existente con el aire externo. Además, los difusores van acompañados de unas pletinas laterales que hacen la función de endplates con las que los ingenieros logran optimizar al máximo el rendimiento de los suelos generando la máxima carga aerodinámica posible.

La imagen de abajo muestra un esquema simple de lo que es un difusor. En él se puede distinguir el suelo de lo que sería el monoplaza y cómo en la parte final se situaría el difusor con una inclinación diferente al suelo del coche. El flujo que transcurre a través del suelo se encuentra acelerado y por ende presenta una presión inferior a la atmosférica (presión del aire externo). Una vez llega al difusor, el flujo se va expandiendo ocupando todo el espacio, recuperando así la presión hasta llegar al final del difusor. La clave se encuentra en el cambio de inclinación, zona donde el flujo se ve acelerado por un instante, generando un gran efecto de succión, dando lugar a la carga aerodinámica que tanto buscan los ingenieros.

Esquema simple de un difusor en 2D

Para optimizar el funcionamiento del difusor, los ingenieros implementan las mencionadas pletinas (endplates) en el difusor. De este modo, cuando el flujo transcurre por el comienzo del difusor, dos vórtices se generan y, si el difusor tiene un diseño óptimo, llegarán al final del mismo. Estos vórtices logran llevar el flujo del exterior al interior, dotándolo de energía y generando una zona de baja presión. Por ell, en el comienzo de los difusores el aire se ve acelerado, pues se ve atraído por esta zona de presión baja, generando así la carga aerodinámica.

A la hora de diseñar un difusor, hay que tener en cuenta distintos parámetros. Uno de ellos es la altura del monoplaza. El funcionamiento de un difusor es muy sensible a dicho parámetro. Por ejemplo, en caso de que un monoplaza tenga una altura muy baja, el flujo que circula a través del suelo se "atascaría" y el difusor perdería gran parte de su rendimiento, llegando a generar poca o incluso a no generar carga aerodinámica.

Otro factor importante en el rendimiento de un difusor es el ángulo de inclinación del mismo. Dependiendo de la altura del monoplaza, el ángulo óptimo será uno u otro. Con los datos disponibles a día de hoy, se puede afirmar que a mayores alturas, el ángulo óptimo del difusor es mayor que el visto en monoplazas de menor altura. Así pues, los equipos juegan con estos dos parámetros, entre otros, para diseñar el sistema más óptimo para sus monoplazas.

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Por último, si en el caso de los suelos con forma de ala invertida vistos durante esta temporada y la anterior se pueden distinguir distintos canales en la parte delantera, en los difusores ocurre lo mismo. Para mejorar el rendimiento de éstos, los ingenieros dividen el difusor en distintos canales.

En la siguiente imagen se muestra la mitad de un difusor del mítico LMP1 Porsche 919 EVO simulado en CFD (técnica empleada en todos los equipos que diseñan sus propios coches de competición) donde se puede ver cómo se comporta el flujo. En la imagen de arriba se muestra el difusor con una configuración de 15 grados de inclinación, pero con un solo canal. En la imagen de abajo se muestra el mismo difusor, pero en este caso se divide en tres canales (dos exteriores y uno central).

Comportamiento del flujo a lo largo de un difusor

En ambos casos se puede observar cómo se genera un canal por donde circula el flujo gracias al vórtice exterior. Sin embargo, en la zona trasera del difusor éste se rompe perdiendo todo su efecto. No obstante, en el caso mostrado en la imagen superior en el que el difusor está dividido en tres canales, el efecto de este suceso es menor. Además, gracias a dividir el difusor en distintos canales, se genera un vórtice interno con un efecto similar al externo. En este caso, el vórtice no se rompe y se mantiene hasta el final del difusor. Otra ventaja de añadir el aletín que divide al difusor en canales es que la burbuja donde el flujo se separa momentáneamente es más pequeña.

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En conclusión, al dividir el difusor en distintos canales se puede observar como el flujo a través del propio difusor es más limpio y el área efectiva que genera downforce es mayor. Esto se puede observar en la fuerza obtenida al simular el LMP1 a una velocidad de 50 m/s, que en el caso de no tener el difusor dividido, el downforce obtenido es de 805 N mientras que con el difusor dividido en 3 es de 931 N, lo que supone un 15,6% más de downforce.

Una vez visto el funcionamiento de ambos diseños del suelo de un monoplaza, no es aventurado decir que, si bien todas las piezas y elementos de un monoplaza son importantes para su correcto funcionamiento, el diseño del suelo es de gran importancia. Tanto en el suelo de ala invertida como en el fondo plano con el difusor, el diseño de los canales es lo que más varía de un equipo a otro y lo que acaba determinando en gran parte las diferencias de rendimiento de un equipo respecto a los demás. En palabras del propio Adrian Newey, el ahora ingeniero de Red Bull, "si quieres desarrollar un coche eficiente aerodinámicamente, empieza diseñando un buen suelo".

BrawnGP, escudería campeona en 2009

La importancia de un buen suelo se puede observar en temporadas pasadas y no muy alejadas de la actual. Casos como el del equipo BrawnGP en 2009 o el del equipo Red Bull durante los años del 2010 al 2013 son algunos ejemplos de, entre otros factores, como un buen diseño del difusor en este caso puede otorgar una gran ventaja a un equipo frente al resto de la parrilla.

De hecho, analizando la actual temporada, el equipo Red Bull presenta una clara ventaja sobre el resto debido al gran trabajo de su parte trasera con una gran interacción entre alerón trasero y difusor. El equipo austriaco, gracias a la labor del departamento de aerodinámica ha logrado que el coche rinda bien con configuraciones de ala de poca carga aerodinámica y que al activar el sistema DRS, toda su paquete trasero (difusor + alerón trasero) trabaje de una forma óptima, siendo el equipo que más se beneficia de dicho sistema (mayor reducción del drag y mayor aceleración en recta al activarse el DRS).

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